從2006年萌生穩(wěn)相光壓加速的想法,到2008年在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表論文正式提出激光穩(wěn)相光壓加速的原理;從2017年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建成世界上首臺(tái)超小型激光加速器輻照裝置,到2018年在北大校慶前夕向習(xí)近平總書記介紹1:10比例的激光加速器原型裝置的原理和應(yīng)用領(lǐng)域;從2019年底率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開啟為期十一年的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)——“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目,到2020年參與北大和廣州市白云區(qū)合作建設(shè)廣東省激光等離子體技術(shù)研究院的一系列工作,在北大度過21載光陰的北大物理學(xué)院副院長(zhǎng)、重離子所所長(zhǎng)顏學(xué)慶教授的“燕園記憶”里,有很多從“0”到“1”的創(chuàng)新突破和難忘瞬間。
在北京初冬的一個(gè)清晨,《北京大學(xué)校報(bào)》記者在北大激光等離子體實(shí)驗(yàn)室專訪了“2020年度何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”獲得者顏學(xué)慶。
顏學(xué)慶向科學(xué)技術(shù)部黨組書記、部長(zhǎng)王志剛和隨行領(lǐng)導(dǎo)介紹團(tuán)隊(duì)研究的超小型激光等離子體加速器癌癥治療系統(tǒng)
開創(chuàng)激光穩(wěn)相加速方法
1998年,即將在清華大學(xué)工程物理專業(yè)本科畢業(yè)的顏學(xué)慶來到北大做畢業(yè)設(shè)計(jì)。這次經(jīng)歷讓他發(fā)現(xiàn),“在北大有充分的思考空間,有創(chuàng)新的土壤可以做點(diǎn)新東西”。恰逢陳佳洱院士、方家馴教授招收碩博連讀的學(xué)生,1999年,顏學(xué)慶進(jìn)入北大攻讀加速器物理專業(yè)的博士學(xué)位,開始了他在激光離子加速方面的求索之旅。
“陳佳洱院士是我的博士生導(dǎo)師,方家馴教授是我的碩士生導(dǎo)師。他們一直鼓勵(lì)我在加速器領(lǐng)域探索新的原理和方法,先做起來?!鳖亴W(xué)慶開始逐步摸索改進(jìn)離子加速效率的途徑?!霸诒贝蟮暮锰幘褪菦]人會(huì)限制你,科學(xué)精神和自由探索精神無處不在?!?/p>
2004年,顏學(xué)慶在北大博士畢業(yè)留校任教。這一時(shí)期,美歐等國(guó)的科學(xué)家開始提出用強(qiáng)激光做離子加速的想法,但在原理上尚無突破。時(shí)光走過兩年,2006年,已經(jīng)在這方面廣泛閱讀了大量文獻(xiàn)的顏學(xué)慶借鑒風(fēng)帆的原理率先提出穩(wěn)相光壓加速的物理方法。但是當(dāng)顏學(xué)慶在國(guó)際會(huì)議上提出這個(gè)想法后,質(zhì)疑紛至沓來。“大家都覺得這個(gè)‘帆’做不出來?!标惣讯菏繋е亴W(xué)慶來到中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,徐至展院士對(duì)顏學(xué)慶的這個(gè)創(chuàng)新想法非常贊賞,這更堅(jiān)定了顏學(xué)慶的信念。“勇于抗?fàn)?,不怕輸,更不?huì)服,是我們的民族精神!”2008年,顏學(xué)慶在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文提出激光穩(wěn)相光壓加速的原理,指出穩(wěn)相加速方法可以產(chǎn)生納庫(kù)級(jí)自聚焦GeV準(zhǔn)單能的質(zhì)子束,并有望通過多階段加速得到萬億電子伏特量級(jí)的質(zhì)子束,研究對(duì)于離子癌癥治療、激光核聚變快點(diǎn)火和新概念加速器等研究頗具意義,系列文章最高單篇引用率接近400余次。在北大這片鼓勵(lì)創(chuàng)新的沃土中,在擁有濃厚自由探索精神的氛圍里,顏學(xué)慶實(shí)現(xiàn)了從“0”到“1”的突破。
加速器要成器
論文發(fā)表了,顏學(xué)慶并沒有止步于此?!瓣惣讯蠋熀唾R賢土老師都對(duì)我說想法很好,能不能在北大做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?!眱晌辉菏坷蠋煆?qiáng)力支持顏學(xué)慶申請(qǐng)?jiān)诒贝蠼⒓す鈱?shí)驗(yàn)室。建立實(shí)驗(yàn)室的過程并非坦途,其間也遭遇挫折,怎么辦?陳佳洱院士說:“加速和加速器只差一個(gè)字,但是不成器不行?!倍鲙煹倪@番話對(duì)顏學(xué)慶影響至深,從此他開始致力于從“加速”到“加速器”的研究,以堅(jiān)強(qiáng)的意志力,用十年磨一劍的精神,踏踏實(shí)實(shí)沿著“加速器要成器”的道路往前走,追求更多的突破。他與張杰院士、北大客座教授盛政明教授進(jìn)行深入的討論和交流,發(fā)現(xiàn)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用時(shí)存在穩(wěn)相加速機(jī)制,如果激光歸一化光強(qiáng)強(qiáng)度a與靶的面密度相當(dāng)時(shí),激光可以如常規(guī)加速器一樣對(duì)離子進(jìn)行加速和縱向聚束,從而可以產(chǎn)生高品質(zhì)的高能單色離子。這對(duì)激光離子加速器的“成器”影響重大。
帶著“加速器要成器”的目標(biāo),2008年,顏學(xué)慶申請(qǐng)前往德國(guó)馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)研究所做訪問研究。在德國(guó),顏學(xué)慶和馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)研究所Habs教授、正在馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)研究所做客座教授的激光尾波場(chǎng)加速理論的提出者Tajima教授三人一見如故,二人對(duì)顏學(xué)慶的“風(fēng)帆論”頗感興趣,一到周末三人小組就開啟“討論模式”,“我們?cè)谝黄鹱C實(shí)了激光穩(wěn)相加速的原理,寫了10篇文章,那一年多的時(shí)間非?!弋a(chǎn)’,我們?nèi)顺闪朔浅:玫呐笥眩⒓尤肓?018年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者M(jìn)ourou教授倡議發(fā)起成立的‘世界超強(qiáng)激光科學(xué)中心’?!盚abs和Tajima經(jīng)?!翱简?yàn)”顏學(xué)慶,做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候只告訴他參數(shù),讓他預(yù)測(cè)結(jié)果。顏學(xué)慶的理論預(yù)測(cè)結(jié)果每次都和實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合,這讓二人大為佩服?;厥棕?fù)笈德國(guó)的時(shí)光,顏學(xué)慶感慨,“那段時(shí)間真正接觸了激光加速理論的源頭,并針對(duì)激光加速速度上不去、效率低的物理瓶頸,對(duì)激光穩(wěn)相加速原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,將研究方向向前推進(jìn)了重要一步,并和國(guó)際上的頂尖團(tuán)隊(duì)建立了合作。”
在德國(guó)兩年的時(shí)光飛速而過,2010年,陳佳洱院士赴意大利開會(huì),在慕尼黑轉(zhuǎn)機(jī)期間特別和顏學(xué)慶會(huì)面談心:“你現(xiàn)在應(yīng)該趕緊回國(guó),申請(qǐng)項(xiàng)目獲取支持,在中國(guó)完成‘加速器要成器’的目標(biāo)?!?011年北大科研部訪問慕尼黑馬普量子光學(xué)所,帶隊(duì)的周輝部長(zhǎng)建議盡快回國(guó)申請(qǐng)“杰青”項(xiàng)目。這一年冬天,顏學(xué)慶回到燕園,在北大科研部門的支持下順利申請(qǐng)到‘杰青’基金資助,“杰青基金200萬元,加上陳佳洱院士拿到的一筆200萬元重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi),總共400萬元起家?!鳖亴W(xué)慶在陳佳洱院士在北大做回旋加速器的一個(gè)庫(kù)房開始建設(shè)激光加速器實(shí)驗(yàn)室。兩年之后,2012年,陳佳洱院士、顏學(xué)慶教授領(lǐng)銜的“超小型激光離子加速器及其關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目獲得國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)立項(xiàng)。從此,在恩師陳佳洱院士和北京大學(xué)的鼎力支持下,持之以恒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展高梯度激光離子加速器的研制,“高對(duì)比度高功率飛秒激光”“激光等離子體透鏡”“納米自支撐靶材”和“激光驅(qū)動(dòng)超高流強(qiáng)離子束傳輸”等核心技術(shù)被一一突破。2017年,顏學(xué)慶團(tuán)隊(duì)在北大建成國(guó)際上首臺(tái)1%~5%能散、能量(3~15 MeV)和電量(<2~30 pC/束團(tuán))可調(diào)的激光質(zhì)子加速器與輻照裝置。團(tuán)隊(duì)成功開展了聚變磁場(chǎng)診斷和粒子注入與輻照等探索,激光離子加速器也逐步應(yīng)用于西南物理研究院和新奧集團(tuán)磁約束聚變裝置研究,激光加速器此時(shí)初步“成器”。
顏學(xué)慶在北大激光等離子體實(shí)驗(yàn)室
在最接近需求的地方從事科研
2018年,北大120周年校慶前夕,習(xí)近平總書記在北大考察時(shí)駐足于顏學(xué)慶團(tuán)隊(duì)研發(fā)的激光加速器原型裝置前,顏學(xué)慶向總書記匯報(bào):“從樣機(jī)的建造到不斷完善,并建成第一臺(tái)激光質(zhì)子加速器,整個(gè)過程都是我們中國(guó)人自己完成的?!眱赡昵暗哪莻€(gè)難忘瞬間,顏學(xué)慶至今記憶猶新:“當(dāng)時(shí)跟總書記匯報(bào)時(shí)我們表示要盡快推進(jìn)科研成果的落地轉(zhuǎn)化,建成能用的裝置,服務(wù)于人民生命健康和國(guó)家需求?!彼钣懈杏|地說,科研工作者的使命,就是“在最接近國(guó)家重大需求和人民生命健康需要的地方從事科學(xué)研究”。
2019年12月,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范項(xiàng)目”正式批復(fù)。項(xiàng)目由北大牽頭承擔(dān),實(shí)施周期為2019年12月至2030年11月,跨度長(zhǎng)達(dá)11年。項(xiàng)目完成后,激光質(zhì)子放療系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用將大為降低,更多腫瘤患者將因此受益。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,顏學(xué)慶說,“實(shí)現(xiàn)研制開發(fā)出穩(wěn)定可靠的激光質(zhì)子放射治療系統(tǒng)的目標(biāo),還有很多物理技術(shù)的瓶頸需要一點(diǎn)點(diǎn)地去克服,還有很多工程的問題等著我們?nèi)ネ黄?。作為北大科研工作者,我們不僅要在原創(chuàng)上有想法,更要堅(jiān)持‘四個(gè)面向’,致力于科技成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化,為國(guó)家相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈做貢獻(xiàn),真正打通產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的最后一公里?!睘榇耍亴W(xué)慶積極促成項(xiàng)目落地于北京懷柔科學(xué)城的激光加速創(chuàng)新中心?!皯讶峥茖W(xué)城的激光加速創(chuàng)新中心將成為重要的科研平臺(tái),起到示范作用,更重要的是為國(guó)家‘十四五’激光大科學(xué)裝置研發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。”正因?yàn)檫@一重要作用,當(dāng)2019年底激光加速創(chuàng)新中心啟動(dòng)之際,顏學(xué)慶感慨萬端,在微信朋友圈發(fā)文致謝各方支持:“懷柔科學(xué)城北京激光加速創(chuàng)新中心經(jīng)過兩年多的論證,無數(shù)次匯報(bào)和方案調(diào)整,在2019年底終于可以啟動(dòng)。在此衷心感謝所有給予幫助和支持的領(lǐng)導(dǎo)們、專家們、同行們、朋友們、科學(xué)城公司和參加項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員們?。?!”
“四個(gè)面向”中,面向世界科技前沿、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康,是顏學(xué)慶近十多年來始終積極探索的目標(biāo)和方向,但是如何面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng),對(duì)他來說還是個(gè)全新的命題。“科研成果如何產(chǎn)業(yè)化?”“如何運(yùn)用產(chǎn)業(yè)化成果反哺科研?”這是顏學(xué)慶始終在思考的問題。2020年9月,北京大學(xué)與廣州市白云區(qū)簽署合作協(xié)議,共同支持廣東省激光等離子體技術(shù)研究院的建設(shè)?!拔覀兒枚鄬@夹g(shù)看似沒有用,但到了廣州這樣的產(chǎn)業(yè)前沿發(fā)現(xiàn)遍地有用,在這里可以讓相關(guān)技術(shù)繼續(xù)孵化,集聚成當(dāng)?shù)氐募す猱a(chǎn)業(yè)生態(tài),整合出一條激光等離子體產(chǎn)業(yè)鏈,提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈水平,從而真正打通產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的最后一公里?!鳖亴W(xué)慶的想法很明確。
在燕園走過21載創(chuàng)新求索之路,顏學(xué)慶對(duì)北大打造自主創(chuàng)新新高地有著自己強(qiáng)烈的期許:“北大做強(qiáng)創(chuàng)新引擎離不開科學(xué)的評(píng)價(jià)體系和評(píng)估機(jī)制。持續(xù)創(chuàng)新需要深化科技創(chuàng)新體制改革的支撐?!▽W(xué)術(shù)’‘唯貢獻(xiàn)’的人才和學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)體系將進(jìn)一步激發(fā)北大科研工作者的創(chuàng)新潛能,我對(duì)此滿懷期待!”
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